Actualizado a: 19 de enero de 2024
Los diseñadores y fabricantes de chips suelen usar la cantidad de transistores o recuento de transistores como un valor para demostrar su «potencial», y cómo siguen guiándose por la Ley de Moore. Sin embargo, es una magnitud que nos puede llevar a confusión, y que no es tan exacta como te puedes imaginar.
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¿Qué es el recuento de puertas lógicas?
Gate count, o recuento de puertas lógicas, se refiere al número de puertas lógicas en un circuito integrado. Cada puerta lógica es una construcción básica de circuitos digitales, como un inversor, una puerta AND o una puerta OR, o las puertas universales NOR y NAND. El gate count se utiliza para medir la complejidad y la capacidad de procesamiento de un circuito integrado. Cuanto mayor sea el número de puertas lógicas, mayor será la capacidad de procesamiento del circuito integrado.
Como debes saber, el gate count y el transistor count no son equivalentes, ya que las diferentes puertas lógicas se componen de un número de transistores variable, dependiendo también de la familia lógica en la que se hayan implementado. Por otro lado, algunas unidades como las celdas de memoria SRAM, no están compuestas de puertas lógicas como tal, por lo que puede ser algo poco acertado para medir la complejidad de un chip.
En general, el gate count es una métrica importante para la optimización del diseño de circuitos integrados de tipo lógico o combinacional, pero no de tipo secuencial o con elementos de memoria. Además, no siempre más es mejor. Por ejemplo, un gate count más bajo, si el circuito hace lo mismo que otro más complejo y lo hace con el mismo rendimiento, eso significará mayor eficiencia energética, menor costo y menor superficie ocupada en el chip (menor coste de producción). Además, un gate count más bajo también puede significar que el circuito integrado es más fácil de diseñar, probar y depurar.
¿Qué es el transistor-count o recuento de transistores?
El «transistor count» o «recuento de transistores» se refiere a la cantidad de transistores individuales que se encuentran en un chip. Los transistores son componentes electrónicos que pueden actuar como interruptores o amplificadores de señal, y son fundamentales para la creación de todo tipo de circuitos integrados, desde lógicos a celdas de memoria. Además, estos transistores pueden ser muy variados, como los MOSFET tipo PMOS y NMOS, con tecnología PLANAR, y también los FinFET, GAA, etc.
La cantidad de transistores en un chip puede ser un indicador de la complejidad y capacidad de procesamiento del mismo. En general, se considera que un mayor recuento de transistores significa un mayor nivel de integración, lo que permite que el chip realice más operaciones por segundo, o que logra un mayor rendimiento, o tal vez puede implementar mayor cantidad de funcionalidades.
El recuento de transistores se ha utilizado como una métrica importante para comparar el rendimiento y la capacidad de diferentes chips de procesamiento o de chips de memoria a lo largo del tiempo, ya que la industria se sigue ciñendo a la Ley de Moore que establece que el número de transistores se suele duplicar cada 18 meses aproximadamente. A lo largo de los años, el recuento de transistores en los microprocesadores ha aumentado significativamente a medida que se han desarrollado tecnologías más avanzadas de fabricación de chips y se han logrado avances en el diseño de circuitos integrados.
Por ejemplo, el primer microprocesador comercial de Intel, el 4004, lanzado en 1971, tenía solo 2.300 transistores, el Pentium 4 tuvo unos 55 millones, mientras que el procesador Intel Core i7 lanzado en 2008 tenía más de 700 millones de transistores. El recuento de transistores sigue aumentando hoy en día, con procesadores de última generación que superan los 10.000 millones de transistores o más. Por ejemplo, el chip de GPU NVIDIA GeForce RTX 4090 tiene 76.300 millones, o el AMD Ryzen 9 7900 llega a los 13.140 millones, y aumentando…
Sin embargo, es importante tener en cuenta que el recuento de transistores no es la única métrica importante para medir el rendimiento y la capacidad de un chip. También es importante considerar factores como la velocidad de reloj, el tamaño del caché, la eficiencia energética, la velocidad a la que pueden conmutar esos transistores (que dependerá del nodo de fabricación), y otros aspectos del diseño del circuito integrado.
Desigualdad en el tamaño de los transistores
Y no solo no es una métrica exacta, sino que también hay que considerar algo. Dentro de un chip, no todos los transistores son iguales en tamaño debido a las diferentes funciones que desempeñan. Los transistores se utilizan para realizar diferentes tareas, como la lógica, la memoria, la alimentación y la interfaz, y cada tarea puede requerir un tipo de transistor diferente.
En general, los transistores más grandes se utilizan para funciones de potencia, como el suministro de energía al chip y la alimentación de los circuitos de entrada/salida. Estos transistores tienen una mayor capacidad de corriente y una menor resistencia, lo que los hace más adecuados para manejar grandes cargas eléctricas.
Los transistores más pequeños se utilizan para la lógica y la memoria, ya que su tamaño compacto permite que se coloquen más transistores en el mismo espacio, lo que aumenta la densidad de los chips y mejora su rendimiento.
Todo esto dependerá de las celdas estándar que emplea el diseñador del chip en su entorno EDA.
Además, los transistores más pequeños también pueden tener una velocidad de conmutación más rápida, lo que los hace adecuados para mejorar la frecuencia de reloj a la que puede trabajar el chip. En cambio, los transistores más grandes pueden ser más lentos debido a su mayor tamaño y capacitancia.
En conclusión, el tamaño de los transistores dentro de un chip depende de la función que desempeñan, ya sea lógica, memoria o alimentación. Por lo que cuando se habla de recuento, no se puede tener en cuenta el tamaño del proceso y las celdas junto con la cantidad de transistores para determinar el área del chip con precisión ni viceversa.
Y no todos están activos…
Por otro lado, como bien sabes, no todos los transistores del chip están siempre activos. En el pasado era común desactivar partes de memoria caché para los chips de gama baja, como el Intel Pentium 4 «Northwood» poseía 256 KB de memoria caché L2, mientras que el Intel Celeron «Northwood» tenía solo la mitad, es decir, 128 KB.
Actualmente ocurre algo parecido con los chips de memoria, de CPUs, GPUs, etc., donde no siempre tenemos todos los transistores activos. Esto, como y sabes, es lo que se conoce como binning. Un proceso que se realiza durante la fabricación de un chip en el que se evalúa el rendimiento de cada núcleo del procesador y se clasifica según su calidad. Los núcleos que no cumplen con los estándares de calidad se desactivan o se venden a un precio más bajo para su uso en procesadores de gama baja. Por ejemplo, un Intel Core i9-13900K tiene unos 14.2 millones de transistores, el Intel Core i7-13700K, por ejemplo, no es otro chip que se ha fabricado diferente, es un chip procedente de la misma oblea, pero que tiene núcleos que no son funcionales en su totalidad. Por ejemplo, el i9 tiene 24 núcleos en total, mientras que el i7 tiene 16 núcleos en total, lo que indica que se han desactivado 8 núcleos que no son funcionales. Sin embargo, dentro de ese chip también habrá los mismos transistores…
Después de la clasificación de los chips producidos en una oblea, se asignan a diferentes niveles de productos, como procesadores de gama alta, procesadores de gama media y procesadores de gama baja. En algunos casos, los núcleos de baja calidad se desactivan y se venden a un precio más bajo, lo que se conoce como «binning down». Por otro lado, algunos fabricantes utilizan el «binning up», que implica la activación de núcleos adicionales y la venta del procesador a un precio más alto, aunque esto es menos frecuente.
